Соадсорбция In и Sb на поверхности Si(001) и Si(111) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ГРУЗНЕВ Димитрий Вячеславович

Соадсорбция Ы и Sb на поверхности Si(00l) и

Si(Ш)

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток 2004

Работа выполнена в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Лифшиц Виктор Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Астапова Елена Степановна

кандидат физико-математических наук Горошко Дмитрий Львович

Ведущая организация:

Институт материаловедения ДВО РАН

Защита состоится « 06 » Декабря 2004 г. в « » часов на заседании регионального диссертационного совета ДМ.005.002.02 при Амурском комплексном научно-исследовательском институте ДВО РАН по адресу: 675000, г. Благовещенск, пер. Рёлочный, 1, АмурКНИИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АмурКНИИ ДВО РАН.

Автореферат разослан « » октября 2004 г.

Ученый секретарь

регионального диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

S3JL83,

3ot9iO

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования.

Прогресс в области микроэлектроники тесным образом связан с размерами полупроводниковых устройств. В соответствие с известным законом Мура, «количество транзисторов, которое может быть помещено на квадратный дюйм кремниевой поверхности, удваивается каждые 12 месяцев» [1]. Этот закон, впервые высказанный в 1965 году по прежнему актуален. Размеры устройств, входящих в состав интегральных схем неуклонно уменьшаются. Например, толщина оксида кремния, применяющегося в качестве изолятора в технологи МОП (метал - оксид -полупроводник), в настоящий момент составляет 4 - 5 нм, и уже был продемонстрированы работающие МОП транзисторы с толщиной слоя оксида 1,2 нм и шириной затвора 60 нм [2].

В настоящее время все больше усилий различных исследовательских групп сосредотачиваются на следующем поколении электроники -наноэлектронике, использующей, помимо традиционных тонких пленок и объемных материалов, материалы пониженной размерности, так называемые наноструктуры. Впервые идея использовать квантовые точки для создания транзисторов (SET, одноэлектронный туннельный транзистор) была высказана в 1985 году Авериным и Лихаревым (МГУ). Через два года Фалтон и Долан (Bell Laboratories) создали первый прототип такого устройства [3,4].

Усиливающаяся тенденция миниатюризации полупроводниковых устройств и развитие наноэлектроники приводят к тому, что изучение процессов на поверхности твердых тел, в частности кремния, принимает все большее значение. Одним из таких процессов является соадсорбция.

Под соадсорбцией понимается процесс, при котором на подложку наносятся два или более адсорбата, при этом в равновесных условиях порядок их нанесения не важен - результат будет одинаков [5]. Также в общем случае не важен способ В

числе таких способов лежат адсорбция, сегрегация, диффузия и другие способы. Известно, что при соадсорбции двух элементов, А и В, могут формироваться как трехкомпонентные поверхностные фазы Si-A+B, так и двухкомпонентные, Si-A или Si-B, в зависимости от соотношений энергий связи адсорбат-подложка и адсорбат-адсорбат. На настоящий момент уже исследованы процессы соадсорбции некоторых элементов на поверхности кремния, получены и исследованы многие трехкомпонентные фазы. Однако, существуют лишь несколько работ, посвященных соадсорбции In и Sb на кремнии.

Изучение соадсорбции In и Sb на поверхность кремния имеет практическое значение. Сверхтонкие пленки InSb на кремнии могут быть использованы для создания различных наноэлектронных приборов, в особенности оптоалекгронных устройств. Действительно, InSb является прямозонным полупроводником с наименьшей шириной запрещенной зоны (0,17 аВ) из всех полупроводников А^ типа. Кроме того, наименьшая эффективная масса носителей заряда и высокая электронная подвижность делают InSb превосходным материалом для высокочастотных и быстродействующих приборов.

Эпитаксиальный рост InSb на кремниевой подложки ориентации (001) затруднен вследствие того, что при соадсорбции In и Sb происходит выбор в пользу более выгодных структур Si(001)-Sb [6]. При атом часто происходит так называемое разделение фаз, то есть In и Sb формируют свои собственные структуры на кремнии (001). Таким образом тонкая пленка, полученная в результате одновременного напыления In и Sb имеет крайне низкое апитаксиальное качество. Все это принуждает к использованию различного рода буферных слоев, что сильно усложняет технология выращивания пленок InSb.

В недавних исследованиях было показано, что внедрение в границу раздела InSb-Si поверхностной фазы Si(001)4x3-In в качестве зародышевой поверхности существенно улучшает качество апитаксиальной пленки InSb при определенных параметрах роста [7]. Подобный метод на кремниевой подложки ориентации (111) приводит к прямо противоположному

эффекту. Для объяснения этих явлений также необходимо иметь полную информацию о процессах, происходящих на поверхности во время соадсорбции 1п и Sb.

Кроме всего прочего, с точки зрения технологии создания наноструктур с заданными свойствами, существенный интерес представляют двухкомпонентные структуры с необычным, измененным атомарным устройством. Сложившееся представление о структуре поверхности кремния как «арене» поверхностных процессов [8] делает возможным изменение кристаллической структуры системы «адсорбат-А -подложка» модификацией поверхности кремния адсорбатом В.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в необходимости изучения соадсорбции 1п и Sb на поверхности кремния с целью создания полупроводниковых материалов пониженной размерности на основе что, в свою очередь, необходимо для пополнения

элементной базы современной электронной промышленности.

Целью диссертационной работы являлось исследование процессов соадсорбции 1п и Sb на поверхностях кремния ориентации (001) и (111), а также изучение возможности получения сверхтонких пленок на

кремнии. Для этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- построить фазовые диаграммы систем (1х+Ь)^(001) и (In+Sb)/Si(l11);

- исследовать влияние Si атомов поверхностного слоя на процессы, происходящие при соадсорбции 1п и Sb, для чего использовать в качестве стартовой поверхности фазы Si-In с реконструированным (например, Si(Ш)4xl-In) и нереконструированным ^(Ш) У3хУ3-1п) поверхностным слоем Si атомов;

- изучить механизмы и условия формирования трехкомпонентных фаз 1^Ь на кремнии;

- изучить роль атомов 1п при образовании в системе (In+Sb)/Si двухкомпонентных фаз Sb/Si с необычной атомарной структурой.

Научная новизна.

Работа содержит новые экспериментальные и методические результаты, наиболее важные из которых следующие:

1. Изучены процессы соадсорбции 1п и Sb на поверхности кремния ориентации (001) и (111).

2. Экспериментально показано влияние структуры поверхности кремния на процессы формирования поверхностных фаз «!ЗЬ - Si». Предложена новая модель структурного устройства поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb.

3. Обнаружена и изучена поверхностная фаза Si(ИГ)V7xV7-Sb. Построена модель атомарного устройства этой фазы.

4. Впервые получена монокристаллическая 3Б структура Sb на кремнии ориентации (111), представляющая собой систему наноразмерных кластеров Sb с базисной гранью (0001).

Практическая ценность работы.

1. Создана целостная картина процессов на поверхности кремния во время соадсорбции 1п и Sb, на основе которой предложен метод выращивания сверхтонкой пленки в составе двух сосуществующих поверхностных фаз Si(Ш)2x2-InSb и Si(Ш)4x2-InSb на Si(Ш) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Все это может быть использовано при разработке полупроводниковых устройств нанометрического масштаба на основе 1^Ь. Данная информация также может быть полезна при выработке методик создания более толстых пленок на кремнии методом МЛЭ без использования буферных слоев.

2. Предложен метод создания наноразмерных кластеров Sb. Определены условия, при которых возможно управление плотностью формирующихся кластеров. Данный метод также пригоден для создания сплошных монокристаллических пленок Sb на кремнии. Такие структуры получены впервые и представляют самостоятельный интерес

в плане расширения возможностей синтеза малоразмерных материалов на поверхности кремния.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 7ой

международной конференции по атомарно-контролируемым

поверхностям, границам раздела и наноструктурам АС8Ш-7 (г. Нара,

Япония, 17-20 ноября 2003 г.), 11ой международной конференции по

твердотельным тонким пленкам и поверхностям 1С8Р8-11 (г. Марсель,

Франция, 8-12 июля 2002 г.), 4ОМ Российско-Японском семинаре по

поверхностям полупроводников ШБ88-4 (г. Нагоя, Япония, 15-20 сентября

2000 г.), 5ОМ Российско-Японском семинаре по поверхностям

полупроводников Ш888-5 (г. Владивосток, Россия, 15-20 ноября 2002 г.), ¿ом

международном симпозиуме по управлению границами раздела полупроводников ВС81-4 (г. Каруизава, Япония, 21-25 октября 2002 г.), 8ой международной конференции по тонким пленкам, поверхностям и границам раздела 1СР81-8 (г. Саппоро, Япония, июнь 2001 г.), 1ой Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г. Владивосток, Россия, 11-15 сентября 2000 г.), 10ой международной конференции по твердотельным тонким пленкам и поверхностям 1С8Р8-10 (г. Принстон, США, 9-13 июля 2000 г.), 48ОМ и 49ОМ весенних и 62 , 63 и 64 осенних заседаниях Японского общества по прикладной физике «Ойобуцури-гаккай» (Япония, 2001-2003 гг.).

На затттиту выносятся следующие основные положения:

1. При адсорбции 8Ь на поверхностную фазу 81(001)4х3-1п при Т8 < 230°С происходит частичная декомпозиция поверхности, при этом структура поверхностного слоя кремния меняется на (4х1). При отжиге, атомы 1п десорбируют с поверхности, а 8Ь формирует фазу 81(001)-БЬ. Однако, вследствие того, что эта фаза формируется на модифицированной поверхности 81, ее структурное устройство отличается от «обычной» фазы 81(001)2х1-БЬ и имеет решетку 8х2-8Ь.

2. На поверхности 81(1 11) возможно вырастить сверхтонкий слой 1п8Ь адсорбцией 8Ь на 81(111)4х1-1п. При этом 8Ь встраивается между 1п и 81, образуя трехкомпонентные фазы 81(111)2х2-1п8Ь и 81(111)4х2-1п8Ь. Эти фазы являются метастабильными и существуют только при дефиците 8Ь атомов. При приближении покрытия 8Ь к 1 МС происходит переход 81-1п8Ь 81-8Ь к более выгодным для данной системы поверхностным фазам 2х1-8ЪпУ3хУ3-8Ъ.

3. При температуре ниже » 200°С возможен рост сверхтонкого слоя 1п8Ь при покрытии 8Ь равной 1 МС. Фазовый переход 81-1п8Ь 81-8Ь в данном случае не происходит, так как температура меньше температуры образования фаз 81-8Ь. Если в качестве начальной поверхности использовать фазу 2х2-1п с нереконструированым поверхностным слоем 81, формируется слой 1п8Ь, занимающий большую часть поверхности.

4. При адсорбции 8Ь на поверхностную фазу происходит формирование фазы 81(111)^7х"*/7-5Ь. Роль 1п в образовании этой структуры заключается в модификации кремниевой поверхности -уничтожении фазы 81(1 11)7x7, препятствующей формированию низкотемпературных фаз 81-8Ь с малым покрытием 8Ь, и реставрации объемоподобной геометрии поверхностного слоя 81.

5. Рост монокристаллических кластеров 8Ь(0001) возможен на поверхности 81(111) при использовании 1п в качестве сурфактанта и температуре подложки меньше 200°С. Возможно изменение плотности кластеров вариацией покрытия 1п.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, включая 84 рисунка и список литературы из 181 наименований.

2. Краткое содержание работы

Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, указаны новизна и практическая ценность работы, изложены основные защищаемые положения и описана структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В ней анализируются основные работы, посвященные адсорбции и соадсорбции 1п и Sb на поверхности кремния, а также гетероэпитаксии 1^Ь на подложки Б1^(001) и Si(lll).

В первом параграфе рассматриваются структуры поверхностных фаз атомарно-чистого кремния, Si(001)2xl и Si(l 11)7x7.

Во втором параграфе описываются некоторые поверхностные фазы систем 1п^(001) и 1п^(Ш), использованные в данной работе. Приведены фазовые диаграммы, рассмотрены методы получения этих фаз и их атомарные структуры. На основе литературных данных показано, что при формировании структур Si(001)4x3-In и Si(lll)4xl-In происходит массоперенос атомов кремния, в результате чего структура верхнего кремниевого слоя в этих фазах имеет особую структуру с дробным значением покрытия Si [5, 6]. С другой стороны, в поверхностных фазах Si(001)2x2-In и атомы кремния расположены в

положениях, близких к идеальным положениям в объемном кремнии [7, 8].

Третий параграф посвящен поверхностным фазам систем Sb/Si(001) и Sb/Si(lll). Рассмотрены фазовые диаграммы и модели атомарного устройства некоторых поверхностных фаз, использованных в данной работе. Показано, что массоперенос атомов кремния в данной системе осуществляется только при очень высоких температурах подложки, что выражается либо в сложной структуре верхнего Si слоя структуры Sb/Si (например,

8К111)5^3х5^3-8Ь [9]), либо в увеличении шероховатости поверхности [10].

В четвертом параграфе изложены основные результаты работ по изучению поверхностных фаз Так как антимонад индия является

полярным полупроводником, поверхность 1п8Ь(Ш) может быть терминирована атомами либо 1п, либо 8Ь. Соответственно, поверхность 1п8Ь(Ш), в зависимости от способа приготовления, имеет одну из двух фаз, 1п8Ь(Ш)Л-2х2 и 1п8Ь(Ш)Б-2х2. Структуры обеих фаз рассмотрены в данном параграфе.

В пятом параграфе рассматриваются результаты работ по эпитаксиальному росту 1п8Ь на кремнии методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Показано, что успешный рост 1п8Ь/8^001) в подавляющем большинстве работ осуществлялся с использованием разного рода буферных слоев, тогда как эпитаксия непосредственно на кремниевую подложку не представляется возможной. Напротив, на кремнии ориентации (111) эпитаксиальный рост 1п8Ь не представляет особых сложностей. Также в этом параграфе рассмотрены литературные данные по соадсорбции 1п и 8Ь на кремний.

Во второй главе кратко рассмотрены основные понятия двумерной кристаллографии, современные представления о поверхностных фазах, а также описаны экспериментальные методы, использованные в данной работе, а именно дифракция быстрых электронов (ДБЭ), сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) и электронная Оже спектроскопия (ЭОС). Приведены схема экспериментальной установки, методы очистки образцов и метод приготовления игл для СТМ экспериментов.

В третьей главе изложены основные результаты работы по исследованию соадсорбции 1п и 8Ь на поверхность кремния ориентации (001).

В первом параграфе рассматривается эволюция поверхности во время напыления 8Ь на предварительно сформированную поверхностную фазу 8^001)4х3-1п. Напыление производилось в температурном диапазоне от комнатной температуры (ЯТ) до 450°С и интервале покрытия 8Ь от 0 до 1 МС. По данным ДБЭ экспериментов была построена фазовая диаграмма данной системы, приведенная на Рис. 1. При высоких температурах (выше

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1

5Ь соуегаде (М1.)

Рис. 1 Фазовая диаграмма системы Sb/4x3-In

~ 230°С), дифракционная картина меняется сначала на (4x1), а при дальнейшем напылении - на (1x1), что соответствует полному разрушению начальной фазы 4x3-1^ CTM изображения показали, что, разрушив фазу 8^001)-1п, БЬ начинает формировать димеры и короткие димерные ряды, аналогичные рядам, входящим в структуру 2x1-БЬ, уже при 0,2 МС. Однако, периодичность (2x1) дальнего порядка появляется только при покрытиях БЬ, близких к 1 МС. По данным ЭОС, покрытие 1п уменьшается с ростом покрытия БЬ и при 0зь = 1 МС индий полностью десорбируется с поверхности. При низких температурах подложки картина (4x1) сохраняется вплоть до высоких значений покрытия БЬ. Несмотря на то, что эта дифракционная картина довольно яркая и резкая, что говорит о хорошей упорядоченности поверхности, данные СТМ свидетельствуют о том, что на поверхности практически отсутствует какая-либо периодическая структура. На Рис. 2 приведено СТМ изображение поверхности, полученной напылением 0,3 МС БЬ на фазу 4хЗ-1п при Т5=250°С. Можно видеть небольшие участки, занятые неразрушенной структурой 4хЗ-1п (помечены белыми овалами), однако большая часть поверхности покрыта слоем, не обладающим ярко выраженной периодичностью.

Рис. 2 СТМ изображение заполненных состояний поверхности после адсорбции ~0,3 МС Sb на 4хЗ-1п при 250°С; ¥= ± 2,2 В, / = 0,3 нА.

На основе данных СТМ, ДБЭ и ЭОС экспериментов мы пришли к выводу, что эта поверхность представляет собой поверхность кремния, верхний слой которой имеет решетку (4x1), покрытую аморфным слоем, состоящим из атомов 1п и 8Ь. В пользу данного предположения говорят также некоторые литературные данные. Так, известно, что при воздействии атомарным водородом на поверхностную фазу 4х3-1п, Н вытесняет атомы 1п. При удалении 1п из фазы 4хЗ-1п кремниевые димерные ряды, входящие в состав этой фазы, смещаются, образуя структуру (4x1) [6]. Кроме того, наши наблюдения, а также работы других авторов показывают, что 8Ь стремится вытеснить атомы 1п из 8^001)-1п структур [11]. С другой стороны, присутствие 8Ь на поверхности кремния вызывает перереконструкцию последней только при температурах, выше 750°С [10].

Таким образом, взаимодействие 8Ь с фазой 4хЗ-1п происходит двумя способами в зависимости от температуры подложки. При Т8 > 230°С, 8Ь полностью разрушает начальную фазу включая кремниевые цепочки. Атомы 1п десорбируют, атомы Si возвращаются в положения, близкие к идеальным объемоподобным, что позволяет Sb сформировать фазу 2хГ^Ь.

При Т < 230°С, происходит «частичная декомпозиция» поверхности, при которой начальная фаза полностью не разрушается. 1п вытесняется 8Ь, а поверхность кремния остается (4х1)-реконструированной.

Во втором параграфе показывается, как модификация структуры кремниевой поверхности, вызванной частичной декомпозицией фазы 4х3-1п приводит к образованию двумерной структуры 81(001)-8Ь с необычным атомарным устройством.

После напыления 8Ь на 4хЗ-1п при комнатной температуре образуется вышеописанная структура 81(001)4x1, хаотически покрытая атомами 8Ь и 1п. При прогреве такое поверхности в температурном интервале от » 230 до = 280°С атомы 1п десорбируют с поверхности (по данным ЭОС), а 8Ь формирует поверхностную фазу 81(001)-8Ь. Изучив методом СТМ эволюцию морфологии поверхности во время формирования этой фазы, мы пришли к выводу, что во время этого процесса отсутствует массоперенос атомов кремния. Первые признаки массопереноса 81 наблюдались только при разрушении новой структуры с дальнейшим прогревом при температуре выше ~ 350°С. При этом происходит реставрация объемоподобной структуры верхнего слоя 81, и структура поверхностной фазы 81(001)-8Ь уже не отличается от обычной. Таким образом, было показано, что процесс формирования фазы 81(001)-8Ь происходит на кремниевой «арене», отличающейся от обычной поверхности 81(001)2х1 и, как следствие, сформированная таким образом фаза имеет кристаллическую структуру, необычную для системы 8Ь/81(001).

На Рис. 3 представлено СТМ изображение поверхности, полученной вышеописанным способом. Структура состоит из системы одинарных и двойных рядов, разделенных промежутком 15,36 А = 4йо и 30,72 А = 8йо, соответственно, при этом доля поверхности, занятой двойными рядами превалирует. Можно видеть, что плотность дефектов, а именно границ противофазных доменов, очень высока. Картина ДБЭ этой структуры представляет собой комбинацию резкой (4x1) и диффузной (8x2) картин. На основе данных наших экспериментов мы заключили, что картина (4х1)

Рис 3 СТМ изображения заполненных состояний поверхностной фазы 8x2- 8Ь

образуется вследствие дифракции на структуре кремния, тогда как источник диффузной (8x2) картины - сильно дефектный верхний слой, образованный димерами 8Ь

На основе экспериментальных данных была построена модель структурного устройства поверхностной фазы 81(001)8х2-8Ь, обсуждаемая в третьем параграфе диссертационной работе. Предложена модель процесса формирования этой структуры, в рамках которой роль атомов 1п определяется как «модификатор» поверхности кремния. Путем сравнения процесса формирования фазы 8х2-8Ь с процессом формирования обычной фазы 2х1-8Ь показано, как может меняться структура двумерного материала при смене «арены» поверхностных процессов

В четвертой главе обсуждаются результаты исследований соадсорбции 1п и 8Ь на поверхность кремния ориентации (111)

В первом параграфе рассматриваются структурные изменения поверхности во время напыления 8Ь на поверхностную фазу 81(111)4х1-1п в широком интервале температур подложки и покрытий 8Ь Как и в случае (1п+8Ь)/81(001), на кремнии ориентации (111) структуры 81-8Ь являются наиболее «выгодными». Когда покрытие 8Ь достигает значения, достаточного для образования «обычных» фаз 81(111)-(851, =1 МС), такие фазы формируются При этом 1п полностью десорбирует с

Рис 4 СТМ изображения заполненных состояний сосуществующих поверхностных фаз 2x2- 1п8Ь и 4х2-1п8Ь

поверхности. Однако в случае, когда покрытие меньше критического значения, то есть условия формирования не выполнены, возможно образование менее выгодных метастабильных поверхностных фаз. В системе 8ЬДк1-1п были обнаружены такие структуры. Оказалось, что при напылении 8Ь на 4x1-^ при Т8 > 250°С и ввь < 1 МС образуются трехкомпонентные поверхностные фазы 8i(111)2x2-In8Ь и 81(1 11)4x2-1п8Ь. На основе данных ЭОС показано, что образование этих структур происходит следующим образом. Адсорбированные атомы 8Ь вытесняют с поверхности атомы 1п, вынуждая их сегрегировать на поверхность слоя 8Ь образуя один молекулярный слой 1п8Ь на кремнии с чередованием 1п-8Ь-81. Такая структура существует до тех пор, пока концентрация сурьмы не достигнет 1 МС, после чего она распадается, атомы 1п оказываются в состоянии «на фазе» и легко десорбируют с поверхности.

Структурное устройство метастабильного Ь^Ь слоя было изучено методом СТМ. На Рис. 4 показано СТМ изображение поверхности, приготовленной напылением -0,7 МС Sb на 4х1-1п при Т = 300°С. На поверхности сосуществуют две фазы, 2х2-1^Ь и 4х2-1^Ь. Атомарное устройство первой из них практически повторяет структуру фазы InSb(lll)Л-2x2 атомарно чистой поверхности антимонада индия. Однако вектор трансляции решетки совпадает с вектором кремниевой поверхности, те есть, фаза является псевдоморфной. Фаза 4х2-1^Ь ранее не наблюдалась. Атомарные модели этих структур обсуждаются в первом параграфе Гл. 4 настоящей диссертационной работы.

Как можно видеть на Рис. 4, слой 1^Ь покрывает поверхность кремния не полностью. Это связано с тем, что покрытие насыщения ^ в структурах Si(l1l)-InSb совпадает с 0§ь более стабильных Si-Sb фаз, и при попытке получить слой Ь^ более высокого качества допылением Sb происходит фазовый переход Si(lll)-InSb -> Si-Sb.

Были предприняты попытки получить однородный слой 1^Ь на кремнии (111) «уходом» из области формирования стабильных структур Si(lll)-Sb варьируя не концентрацию Sb, а температуру подложки. Тогда температура должна быть не выше ~ 200°С. Однако в случае адсорбции Sb на 4x1-1п такие попытки не принесли успеха. Это связанно с тем, что в составе поверхностной фазы 4x1-^ присутствует реконструированный поверхностный слой Si с дробным значением покрытия. При низкой температуре этот слой не разрушается (аналогично случаю Sb/Si(001)4x3-1п) и препятствует образованию упорядоченной фазы Si(l I

Сверхтонкий слой на Si(lll) лучшего качества, чем описанный выше можно получить, если напылять Sb при температуре ниже « 200°С («уход» по температуре) на поверхностную фазу Si(l 11)-Гп, атомы кремния которой не сильно реконструированы и находятся в положениях, близких к идеальным, и при этом покрытие М не сильно отличается от 0,75 МС (покрытие насыщения фазы 2x2-^^. Таким требованиям удовлетворяет только поверхность Si(lll)2x2-In, получаемая дополнительным осаждением Лп на фазу З^ШУ^Зх^З-Хп [12]. Адсорбция Sb при таких

О 0.5 1 1.5

Sb coverage (ML)

Рис. 5 Фазовая диаграмма системы Sb/V3x^3-In.

условиях приводит к образованию довольно однородного слоя 1пБЬ, занимающего большую часть поверхности, как описано в настоящем параграфе диссертационной работы.

Во втором параграфе обсуждаются результаты работы по изучению адсорбции БЬ в субмонослойном интервале покрытий на поверхностную фазу 8К111)^Зх^З-1п. На Рис. 5 изображена фазовая диаграмма системы БЬ/^Зх^З-Ь, построенная на основе результатов ДБЭ экспериментов. Когда покрытие БЬ превышает значение -0,2 МС, а температура подложки - примерно 150°С, происходит образование новой поверхностной фазы вКШУ^х^Т-БЬ. Покрытие насыщения этой фазы было определено как 0,29 МС. Структура поверхностной фазы ^7х^7-8Ь была изучена методом СТМ и по результатам построена структурная модель. Мы считаем, что для формирования этой поверхностной фазы наиболее важным является структура верхнего слоя Подобно тому, как модифицированная поверхность кремния (001) являлась причиной образования фазы 8х2-БЬ (Гл. 3), нереконструированная (объемоподобная) поверхность БЩП), полученная после вытеснения атомов 1п из структуры ^Зх^З-1п позволяет БЬ образовывать фазу которая не наблюдается при

непосредственном напылении БЬ на кремний (111). Известно, что

упорядоченные структуры в системе 8Ь/81(111) образуются только при довольно высоких температурах (выше 550°С) и значительных концентрациях сурьмы на поверхности [13]. Возможно, это связано с тем, что напыление 8Ь происходит не столько на «чистую поверхность кремния», сколько на поверхностную фазу 81(111)7х7, которая может препятствовать образованию низкотемпературных структур 8Ь/81(111). Если же напыление происходит на поверхность "^Зх^З-1п то сурьма, вытеснив 1п, оказывается на идеальной нереконструированной поверхности, что делает возможным формирование низкотемпературной фазы.

Когда покрытие 8Ь приближается к 1 МС при температуре подложки выше ~ 200°С, образуются «обычные» поверхностные фазы 81(111)2х1-8Ь и структурные устройства которых ничем не отличаются

от аналогичных структур, полученных прямым напылением 8Ь на 81(1 11)7х7 за исключением температуры образования (выше почти в два раза в последнем случае). Это справедливо для всех без исключения систем 8Ь/81(111)-1п, в том числе и не включенных в данную работу и В случае, если температура подложки ниже

200°С, при сверхмонослойном напылении 8Ь на образуется

система монокристаллических 8Ь кластеров, как описано в третьем параграфе настоящей главы.

На Рис. 6 (а) приведено АСМ (атомарно-силовая микроскопия) изображение поверхности, полученной напылением 20 МС 8Ь на при температуре порядка 200°С в сравнении с непосредственным напылением 8Ь на фазу 7х7 чистого кремния при той же температуре. В первом случае наблюдается рост полусферических кластеров с диаметрами в среднем 40 нм и высотой 5 нм. Кластеры занимают примерно 15% площади поверхности; плотность кластеров составляет примерно 1,2х1012 см" . По данным ЭОС, покрытие 8Ь такой поверхности составляет 3 МС -покрытие возрастает до этого значения и стабилизируется. Дальнейшее напыление не приводит к увеличению 8Ь покрытия. Поверхность между кластерами покрыта поверхностной фазой 81(111)2х1-8Ь. Структура

Рис. 6 ACM изображения поверхности после 20 МС напыления Sb на (а) V3xV3"In фазу и (Ь) чистую поверхность кремния.

кластеров и их ориентация по отношению к подложке были определены с помощью ДБЭ. Кластеры имеют типичную для Sb ромбоэдрическую структуру (двухдоменную) с направлением [0001] нормально к поверхности (111) кремния. Монокристаллические 3D структуры на Si(l 11) ранее не наблюдались; напыление Sb на кремний (111) с 9sb > 1 МС приводит к образованию аморфных либо поликристаллических (0sb > 20 МС) неоднородных слоев (Рис. 6(Ь)), что подтверждается литературными данными [ 14].

На основе экспериментальных данных было предложено следующее объяснение роста Sb кластеров. Атомы Sb вытесняют атомы In, которые «всплывают» на поверхность Sb слоя, образуя метастабильную фазу 2x2-InSb так же, как и в случае Sb/4xl-In. Однако, так как покрытие насыщения начальной структуры бы = 0,33 МС меньше, чем у 2x2-InSb (6in =

0,75 МС), образуются только небольшие участки этой фазы (2D островки InSb). На остальной поверхности образуется структура Si(lll)2xl-Sb. In десорбирует с терминированной сурьмой поверхности при (3 « 200°С, и если температура ниже этого значения, он остается на поверхности и может быть замещен Sb снова, обеспечивая рост 3D кластеров Sb, то есть выполняет функцию сурфактанта. Однако в процессе замещения индий

Рис 7 СТМ изображение поверхности после 20 МС напыления БЬ на 2х2-1п поверхностную фазу

все-таки постепенно уходит с поверхности и когда 1п полностью десорбирует, рост БЬ кластеров прекращается. Если приведенная модель роста верна, величина покрытия 1п в начальной фазе должна влиять либо на размеры, либо на плотность кластеров. Мы проверили эти предположения, осуществив рост БЬ кластеров на фазе 2х2-1п (бш = 0,75 МС) при аналогичных параметрах роста. На Рис. 7 показано СТМ изображение такой поверхности. Можно видеть, что формируются кластеры с теми же размерами, однако плотность кластеров при этом увеличивается до ~ 7.8хЮ10 см2. Таким образом, варьируя покрытие сурфактанта можно получить желаемую плотность монокристаллических БЬ кластеров.

3. Основные результаты и выводы работы.

1. В данной диссертационной работе изучалась соадсорбция ]п и Sb на поверхности кремния ориентации (001) и (111) методом напыления Sb на предварительно подготовленные поверхностные фазы Si-In. Несмотря на то, что в системе (In+Sb)/Si наиболее выгодными структурами являются фазы 1-МС-!ЗЬ/&, при определенных условиях возможно образование менее выгодных для данной системы структур, в том числе сверхтонкая пленка ^Ь в составе поверхностных фаз Si(lll)2x2-InSb и Si(111)4x2-^^ поверхностные фазы 51(111)Л/7хЛ/7-8Ь, 81(001 )8х2-5Ь, а также система наноразмерных Sb кластеров. По результатам работы можно сделать следующие выводы.

2. Исследовано взаимодействие Sb с поверхностной фазой Si(001)4x3-М и процессы образования поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb. Определены условия формирования этой структуры, построена фазовая диаграмма системы Sb/4x3-In. Показано, что данная структура образуется вследствие изменения атомарного устройства поверхности кремния. Адсорбция 1п вызывает перераспределение атомов Si поверхностного слоя что, в свою очередь, приводит к образованию поверхностной фазы Si-Sb с необычным для данной системы устройством. По данным СТМ определена атомарная структура, построена соответствующая модель.

3. При адсорбции Sb на поверхностные фазы Si(lll)4xl-In и Si(lll)2x2-In было обнаружено формирование сверхтонкой пленки 1^Ь на кремнии в составе трехкомпонентных поверхностных фаз Si(lll)2x2-InSb и Si(lll)4x2-InSb. Изучены процессы формирования и атомарные структуры этих фаз. Построена фазовая диаграмма системы Sb/4xl-In и модели структурного устройства поверхностных фаз Si-InSb.

4. В системе обнаружено образование поверхностной фазы Как и в случае адсорбции Sb на Si(001)4x3-In, данная Sb структура образуется вследствие модификации поверхности кремния атомами !п, при этом сам !п не входит в состав

структуры но уничтожает фазу 7x7 чистого кремния, которая

препятствует образованию низкотемпературных Si(lll)-Sb поверхностных фаз. Методом СТМ изучена атомарная структура новой фазы, предложена модель структурного устройства.

5. При сверхмонослойной адсорбции Sb на при температуре

подложки меньше 200°C происходит рост наноразмерных кластеров Sb(O001). Исследованы процесс формирования, структура кластеров и их эпитаксиальное родство с кремниевой поверхностью. Показано, что In играет роль сурфактанта при образовании Sb кластеров. Предложен метод управления плотностью кластеров варьированием покрытия In начальной поверхностной фазы.

^исок цитируемой литературы.

[1] В.Г. Лифшиц, CМ. Репинский, Процессы на поверхности твердых тел (Дальнаука, Владивосток, 2003).

[2] G.E. Franklin, D.H. Rich, H. Hong, T. Miller, T.-C. Chiang, Phys. Rev. В 45 (1992) 3426.

[3] В. V. Rao, М. Atoji, D. M. Li, T. Okamoto, T. Tambo, C. Tatsuyama, Jpn. J. Appl. Phys. 37 (1998) L1297.

[4] V.G. Lifshits, Yu.L. Gavrilyuk, D.A. Tsukanov, B.K. Churusov, N. Enebish, S.V. Kuznetsova, S.V. Ryjkov, D. Gruznev, C. Tatsuyama, e-J. Surf. Sci. Nanotech., 2 (2004) 56.

[5] 0. Bunk, G. Falkenberg, J. H. Zeysing, R. J. Johnson, M. Nielsen, R. Feidenhans'l, Phys. Rev. В 60 (1999) 13905

[6] A. A. Saranin, A. V. Zotov, V. G. Lifshits, J. -T. Ryu, 0. Kubo, H. Tani, T. Harada, M. Katayama, K. Oura, Phys. Rev. В 60 (1999) 14372.

[7] A. A. Saranin, A. V. Zotov, T. Numata, 0. Kubo, K. V. Ignatovich, V. G. Lifshits, M. Katayama, K. Oura, Surf. Sci. 388 (1997) 299

[8] S. Mizuno, Y. O. Mizuno, H. Tochihara, Phys. Rev. В 67 (2003) 195410

[9] A. A. Saranin, A. V. Zotov, V. G. Lifshits, 0. Kubo, T. Harada, M. Katayama, K. Oura, Surf. Sci. 447 (2000) 15.

[10] A. A. Saranin, A. V. Zotov, V. G. Kotlyar, V. G. Lifshits, 0. Kubo, T. Harada, T. Kobayashi, N. Yamaoka, M. Katayama, K. Oura, Phys. Rev. В 65 (2002)33312

[11] S.V. Ryzhkov, V.G. Lifshits, S.G. Azatyan, A.V. Zotov, Y. Hayakawa, M. Kumagawa, Phys. Low-Dim. Struct. '/2 (1996) 99.

[12] S. Hasegawa, S. Ino, Int. J. Mod. Phys. В 7 (1993) 3817.

[13] С. Y. Park, T. Abukawa, T. Kinoshita, Y. Enta, S. Kono, Jpn. J. Appl. Phys. 27 (1988) 147.

[14] M. T. Cuberes, H. Ascolani, M. Moreno, J. L. Sacedon, J. Vac. Sci. Technol. В 14 (1996) 1655.

Основные результаты работы изложены в рецензируемых публикациях:

1. D.V. Gruznev, К. Ohmura, M. Mori, T. Tambo, V.G. Lifshits, С. Tatsuyama. Surfactant mediated growth of Sb clusters on Si(lll) surface // J. Crys. Growth. - 2004. - Vol. 269. - P. 235-241.

2. D.V. Gruznev, K. Ohmura, M. Mori, T. Tambo, V.G. Lifshits, С Tatsuyama. Modification of Sb/Si(001) interface by incorporation of In(4x3) surface reconstruction. // принято к публикации в Appl. Surf. Sci.

3. D.V. Gruznev, B.V. Rao, Y. Furukawa, M. Mori, T. Tambo, V.G. Lifshits, С Tatsuyama. Atomic structure and formation process of the Si(lll)-Sb(V7x V7) surface phase // Appl. Surf. Sci. - 2003. - Vol. 212-213. - P. 135139.

4. D. Gruznev, Y. Furukawa, M. Mori, T. Tambo, V.G. Lifshits, C. Tatsuyama. Study of Sb adsorption on the Si(001)-In(4x3) surface // Appl. Surf. Sci. - 2003. - Vol. 216. - P. 35-40.

5. D.V. Gruznev, B.V. Rao, T. Tambo, C. Tatsuyama. Surface Structure Evolution During Sb Adsorption on Si(lll)-In(4xl) Reconstruction // Appl. Surf. Sci. - 2002. - Vol. 190. - P. 134-138.

6. V.G. Lifshits, Yu.L. Gavrilyuk, D.A Tsukanov, B.K. Churusov, N. Enebish, S.V. Kuznetsova, S.V. Ryjkov, D. Gruznev, С Tatsuyama. Surface

t?2096

Phases and Processes on Si Surface // e-Journal of Surface Science and Nanotechnology. - 2004. - Vol. 2. - P. 56-76.

7. B.V. Rao, D. Gruznev, T. Tambo, С Tatsuyama. Sb adsorption on Si(lll)-In(4xl) surface phase // Appl. Surf. Sci. - 2001. - Vol. 175-176. - P. 187-194.

8. B.V. Rao, D. Gruznev, T. Tambo, С Tatsuyama. Structural Transformations During Sb Adsorption on Si(lll)-In(4xl) Reconstruction // Jpn. J. Appl. Phys. - 2001. - Vol. 40. - P. 4304-4308.

9. B.V. Rao, D. Gruznev, M. Mori, T. Tambo, С Tatsuyama. Twinned InSb molecular layer on Si(lll) substrate // Surf. Sci. - 2001. - Vol. 493. - P. 373380.

РНБ Русский фонд

2005-4 19283

Грузнев Димитрий Вячеславович

Соадсорбция In и Sb на поверхности Si(001) и Si(lll)

Автореферат

Подписано к печати 19 октября 2004 г. Формат 60x84/16. Усл. п. л. 1,2. Уч. изд. л. 1. Тираж 100. Заказ №46.

Издано ИАПУ ДВО РАН. Владивосток, Радио, 5. Отпечатано участком оперативной печати ИАПУ ДВО РАН. Владивосток, ул. Радио, д. 5.

Введение

1. Поверхностные фазы в системах In/Si, Sb/Si и (In+Sb)/Si

Введение

1.1. Поверхностные фазы и двумерная кристаллография

1.2. Поверхностные фазы чистой поверхности кремния

1.2.1. Si(001)2xl

1.2.2. Si( 111)7x

1.3. Поверхностные фазы In на кремнии

1.3.1. Si(001)4x3-In

1.3.2. Si(lllW3xV3-R30°-In

1.3.3. Si(lll)4xl-In

1.4. Поверхностные фазы Sb на кремнии

1.4.1. Si(001)2xl-Sb

1.4.2. Si(lll)2xl-Sb

1.4.3. Si(lll)V3xV3-R30°-Sb

1.5. Поверхностные фазы InSb(lll)A,B-2x

1.6. Эпитаксиальный рост InSb и соадсорбция In и Sb на кремнии 32 Выводы

2. Методы исследования и подготовка экспериментов

2.1. Экспериментальная установка 36

2.2. Методы исследования 39

2.2.1. Дифракция быстрых электронов 39

2.2.2. Электронная Оже спектроскопия 44

2.2.3. Сканирующая туннельная микроскопия 46

2.3. Подготовка образцов 50

2.4. Методика изготовления игл для СТМ экспериментов 51 Выводы 54

3. Соадсорбция In и Sb на кремний ориентации (001) 55

Введение 55

3.1. Эволюция поверхности во время адсорбции Sb на 4хЗ-1п 55

3.2. Формирование поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb 68

3.3. Обсуждение структуры и процесса формирования поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb 82

Выводы 89

4. Соадсорбция In и Sb на кремний ориентации (111) 90

Введение 90

4.1. Адсорбция Sb на поверхностную фазу Si( 111 )4х 1 -In 91

4.2. Формирование сверхтонкой пленки InSb на Si(l 11) 106

4.3. Адсорбция Sb на поверхностную фазу V3xV3-In в субмонослойном интервале покрытий Sb 112

4.4. Адсорбция Sb на поверхностную фазу V3xV3-In в сверхмонослойном интервале покрытий Sb 129

Выводы 147

Заключение 148

Библиография 150 Щ

Введение

Актуальность темы исследования.

Прогресс в области микроэлектроники тесным образом связан с размерами полупроводниковых устройств. В соответствие с известным законом Мура, «количество транзисторов, которое может быть помещено на квадратный дюйм кремниевой поверхности, удваивается каждые 12 месяцев» [1]. Этот закон, впервые высказанный в 1965 году по прежнему актуален. Размеры устройств, входящих в состав интегральных схем неуклонно уменьшаются. Например, толщина оксида кремния, применяющегося в качестве изолятора в технологи МОП (метал - оксид - полупроводник), в настоящий момент составляет 4-5 нм, и уже был продемонстрированы работающие МОП транзисторы с толщиной слоя оксида 1,2 нм и шириной затвора 60 нм [2].

В настоящее время все больше усилий различных исследовательских групп сосредотачиваются на следующем поколении электроники - наноэлектронике, использующей, помимо традиционных тонких пленок и объемных материалов, материалы пониженной размерности, так называемые наноструктуры. Впервые идея использовать квантовые точки для создания транзисторов (SET, одноэлектронный туннельный транзистор) была высказана в 1985 году Авериным и Лихаревым (МГУ). Через два года Фалтон и Долан (Bell Laboratories) создали первый прототип такого устройства [3, 4].

Усиливающаяся тенденция миниатюризации полупроводниковых устройств и развитие наноэлектроники приводят к тому, что изучение процессов на поверхности твердых тел, в частности кремния, принимает все большее значение. Одним из таких процессов является соадсорбция.

Под соадсорбцией понимается процесс, при котором на подложку наносятся два или более адсорбата, при этом в равновесных условиях порядок их нанесения не важен - результат будет одинаков [5]. Также в общем случае не важен способ доставки адсорбатов на поверхность. В числе таких способов лежат адсорбция, сегрегация, диффузия и другие способы. Известно, что при соадсорбции двух элементов, А и В, могут формироваться как трехкомпонентные поверхностные фазы Si-A+B, так и двухкомпонентные, Si-A или Si-B, в зависимости от соотношений энергий связи адсорбат-подложка и адсорбат-адсорбат. На настоящий момент уже исследованы процессы соадсорбции некоторых элементов на поверхности кремния, получены и исследованы многие трехкомпонентные фазы. Однако, существуют лишь несколько работ, посвященных соадсорбции In и Sb на кремнии.

Изучение соадсорбции In и Sb на поверхность кремния имеет практическое значение. Сверхтонкие пленки InSb на кремнии могут быть использованы для создания различных наноэлектронных приборов, в особенности оптоэлектронных устройств. Действительно, InSb является прямозонным полупроводником с наименьшей шириной запрещенной зоны (0,17 эВ) из всех полупроводников А3В5 типа. Кроме того, наименьшая эффективная масса носителей заряда и высокая электронная подвижность делают InSb превосходным материалом для высокочастотных и быстродействующих приборов.

Эпитаксиальный рост InSb на кремниевой подложки ориентации (001) затруднен вследствие того, что при соадсорбции In и Sb происходит выбор в пользу более выгодных структур Si(001)-Sb [6]. При этом часто происходит так называемое разделение фаз, то есть In и Sb формируют свои собственные структуры на кремнии (001). Таким образом тонкая пленка, полученная в результате одновременного напыления In и Sb имеет крайне низкое эпитаксиальное качество. Все это принуждает к использованию различного рода буферных слоев, что сильно усложняет технология выращивания пленок InSb.

В недавних исследованиях было показано, что внедрение в границу раздела InSb-Si поверхностной фазы Si(001)4x3-In в качестве зародышевой поверхности существенно улучшает качество эпитаксиальной пленки InSb при определенных параметрах роста [7]. Подобный метод на кремниевой подложки ориентации (111) приводит к прямо противоположному эффекту. Для объяснения этих явлений также необходимо иметь полную информацию о процессах, происходящих на поверхности во время соадсорбции In и Sb.

Кроме всего прочего, с точки зрения технологии создания наноструктур с заданными свойствами, существенный интерес представляют двухкомпонентные структуры с необычным, измененным атомарным устройством. Сложившееся представление о структуре поверхности кремния как «арене» поверхностных процессов [8] делает возможным изменение кристаллической структуры системы «адсорбат-А - подложка» модификацией поверхности кремния адсорбатом В.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в необходимости изучения соадсорбции In и Sb на поверхности кремния с целью создания полупроводниковых материалов пониженной размерности на основе InSb, что, в свою очередь, необходимо для пополнения элементной базы современной электронной промышленности.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы являлось исследование процессов соадсорбции In и Sb на поверхностях кремния ориентации (001) и (111), а также изучение возможности получения сверхтонких пленок InSb на кремнии. Для этой цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- построить фазовые диаграммы систем (In+Sb)/Si(001) и (In+Sb)/Si(lll);

- исследовать влияние Si атомов поверхностного слоя на процессы, происходящие при соадсорбции In и Sb, для чего использовать в качестве стартовой поверхности фазы Si-In с реконструированным (например, Si(l 11)4x1 -In) и нереконструированным (Si(lll)V3xV3-In) поверхностным слоем Si атомов;

- изучить механизмы и условия формирования трехкомпонентных фаз InSb на кремнии;

- изучить роль атомов In при образовании в системе (In+Sb)/Si двухкомпонентных фаз Si-Sb с необычной атомарной структурой.

Научная новизна работы.

Работа содержит новые экспериментальные и методические результаты, наиболее важные из которых следующие:

1. Изучены процессы соадсорбции In и Sb на поверхности кремния ориентации (001) и (111).

2. Экспериментально показано влияние структуры поверхности кремния на процессы формирования поверхностных фаз «Sb - Si». Предложена новая модель структурного устройства поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb.

3. Обнаружена и изучена поверхностная фаза Si(lll)V7xV7-Sb. Построена модель атомарного устройства этой фазы.

4. Впервые получена монокристаллическая 3D структура Sb на кремнии ориентации (111), представляющая собой систему наноразмерных кластеров Sb с базисной гранью (0001).

Практическая ценность работы.

1. Создана целостная картина процессов на поверхности кремния во время соадсорбции In и Sb, на основе которой предложен метод выращивания сверхтонкой пленки InSb в составе двух сосуществующих поверхностных фаз Si(lll)2x2-InSb и Si(lll)4x2-InSb на Si(lll) методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Все это может быть использовано при разработке полупроводниковых устройств нанометрического масштаба на основе InSb. Данная информация также может быть полезна при выработке методик создания более толстых пленок InSb на кремнии методом МЛЭ без использования буферных слоев.

2. Предложен метод создания наноразмерных кластеров Sb. Определены условия, при которых возможно управление плотностью формирующихся кластеров. Данный метод также пригоден для создания сплошных монокристаллических пленок Sb на кремнии. Такие структуры получены впервые и представляют самостоятельный интерес в плане расширения возможностей синтеза малоразмерных материалов на поверхности кремния.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. При адсорбции Sb на поверхностную фазу Si(001)4x3-In при Ts < 230°С происходит частичная декомпозиция поверхности, при этом структура поверхностного слоя кремния меняется на (4x1). При отжиге, атомы In десорбируют с поверхности, a Sb формирует фазу Si(001)-Sb. Однако, вследствие того, что эта фаза формируется на модифицированной поверхности Si, ее структурное устройство отличается от «обычной» фазы Si(001)2xl-Sb и имеет решетку 8x2-Sb.

2. На поверхности Si(lll) возможно вырастить сверхтонкий слой InSb адсорбцией Sb на Si(lll)4xl-In. При этом Sb встраивается между In и Si, образуя трехкомпонентные фазы Si(lll)2x2-InSb и Si(lll)4x2-InSb. Эти фазы являются метастабильными и существуют только при дефиците Sb атомов. При приближении покрытия Sb к 1 МС происходит переход Si-InSb Si-Sb к более выгодным для данной системы поверхностным фазам 2xl-Sb и V3xV3-Sb.

3. При температуре ниже « 200°С возможен рост сверхтонкого слоя InSb при покрытии Sb равной 1 МС. Фазовый переход Si-InSb Si-Sb в данном случае не происходит, так как температура меньше температуры образования фаз Si-Sb. Если в качестве начальной поверхности использовать фазу 2х2-1п с неперестроенным поверхностным слоем Si, формируется слой InSb, занимающий большую часть поверхности.

4. При адсорбции Sb на поверхностную фазу Si(lll)V3xV3-In происходит формирование фазы Si(lll)V7xV7-Sb. Роль In в образовании этой структуры заключается в модификации кремниевой поверхности - уничтожении фазы Si(l 11)7x7, препятствующей формированию низкотемпературных фаз Si-Sb с малым покрытием Sb, и реставрации объемоподобной геометрии поверхностного слоя Si.

5. Рост монокристаллических кластеров Sb(0001) возможен на поверхности Si(lll) при использовании In в качестве сурфактанта и температуре подложки меньше 200°С. Возможно изменение плотности кластеров вариацией покрытия In.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на

- 7ой международной конференции по атомарно-контролируемым поверхностям, границам раздела и наноструктурам ACSIN-7 (г. Нара, Япония, 17-20 ноября 2003 г.),

- 11ой международной конференции по твердотельным тонким пленкам и ^ поверхностям ICSFS-11 (г. Марсель, Франция, 8-12 июля 2002 г.),

- 40М Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников JRSSS-4 (г. Нагоя, Япония, 15-20 сентября 2000 г.),

- 50М Российско-Японском семинаре по поверхностям полупроводников RJSSS-5 (г. Владивосток, Россия, 15-20 ноября 2002 г.),

- 40М международном симпозиуме по управлению границами раздела полупроводников ISCSI-4 (г. Каруизава, Япония, 21-25 октября 2002 г.),

- 8ой международной конференции по тонким пленкам, поверхностям и границам Щ раздела ICFSI-8 (г. Саппоро, Япония, июнь 2001 г.),

- 1ой Азиатско-Тихоокеанской конференции по фундаментальным проблемам опто- и микроэлектроники (г. Владивосток, Россия, 11-15 сентября 2000 г.),

- 10ой международной конференции по твердотельным тонким пленкам и поверхностям ICSFS-10 (г. Принстон, США, 9-13 июля 2000 г.),

- 480м и 490м весенних и 620м, 63им и 64ом осенних заседаниях Японского общества по прикладной физике «Ойо-буцури-гаккай» (Япония, 2001-2003 гг.).

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 165 страниц, включая 84 рисунков и список литературы из 181 наименований.

Ф Выводы

Эволюция поверхности во время адсорбции Sb на поверхностные фазы 4x1-In и л/Зхл/З -In исследовалась при помощи методов ДБЭ, ЭОС и СТМ. Было обнаружено, что в обоих случаях происходит вытеснение атомов In с поверхности и формирование наиболее выгодных в данной системе поверхностных фаз Si-Sb при Osb й 0.8 МС и Ts £ 250°С. Однако, когда эти параметры не соблюдались, то есть либо покрытие Sb, либо температура подложки были ниже, чем необходимо для формирования фаз Sb на кремнии, наблюдалось формирование менее стабильных структур, а именно трехкомпонентных поверхностных фаз 2x2-InSb и 4x2-InSb, а также поверхностной фазы V7xV7-Sb.

Исследовалась атомарная структура трехкомпонентных фаз Si-InSb. Показано, что сверхтонкая пленка InSb, состоящая из этих фаз, формируется вытеснением атомов In сурьмой с последующей сегрегацией их на поверхность слоя атомов Sb. Такая пленка существует только при дефиците Sb и вследствие этого имеет большое количество структурных дефектов. На основе анализа экспериментальных данных предложен и опробован метод создания сверхтонкой пленки InSb более высокого эпитаксиального качества.

При адсорбции Sb на фазу V3xV3-In при температуре подложки ниже 200°С было обнаружено формирование монокристаллических 3D кластеров Sb. Методом ДБЭ исследована кристаллическая структура кластеров, определено эпитаксиальное родство с подложкой Si(lll) и предложена модель механизма их формирования. Показано, что возможно регулировать плотность кластеров на поверхности нанесением различного покрытия In.

Построены фазовые диаграммы для всех изученных систем, предложены модели атомарного устройства двумерных структур, впервые полученных в данной & работе.

Заключение

В данной диссертационной работе изучалась соадсорбция In и Sb на поверхности кремния ориентаций (001) и (111) методом напыления Sb на предварительно подготовленные поверхностные фазы Si-In. Несмотря на то, что в системе (In+Sb)/Si наиболее выгодными структурами являются фазы 1-MC-Sb/Si, при определенных условиях возможно образование менее выгодных для данной системы структур, в том числе сверхтонкая пленка InSb в составе поверхностных фаз Si(lll)2x2-InSb и Si(lll)4x2-InSb, поверхностные фазы Si(lll)V7xV7-Sb, Si(001)8x2-Sb, а также система наноразмерных Sb кластеров. По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Исследовано взаимодействие Sb с поверхностной фазой Si(001)4x3-In и процессы образования поверхностной фазы Si(001)8x2-Sb. Определены условия формирования этой структуры, построена фазовая диаграмма системы Sb/4x3-In. Показано, что данная структура образуется вследствие изменения атомарного устройства поверхности кремния. Адсорбция In вызывает перераспределение атомов Si поверхностного слоя что, в свою очередь, приводит к образованию поверхностной фазы Si-Sb с необычным для данной системы устройством. По данным СТМ определена атомарная структура, построена соответствующая модель.

2. При адсорбции Sb на поверхностные фазы Si(lll)4xl-In и Si(lll)2x2-In было обнаружено формирование сверхтонкой пленки InSb на кремнии в составе трехкомпонентных поверхностных фаз Si(lll)2x2-InSb и Si(lll)4x2-InSb. Изучены процессы формирования и атомарные структуры этих фаз. Построена фазовая диаграмма системы Sb/4xl-In и модели структурного устройства поверхностных фаз Si-InSb.

3. В системе Sb/Si(lll)V3xV3 -In обнаружено образование поверхностной фазы Si(lll)V7xV7-Sb. Как и в случае адсорбции Sb на Si(001)4x3-In, данная Sb структура образуется вследствие модификации поверхности кремния атомами In, при этом сам In не входит в состав структуры V7xV7, но уничтожает фазу 7x7 чистого кремния, которая препятствует образованию низкотемпературных Si(lll)-Sb поверхностных фаз. Методом СТМ изучена атомарная структура новой фазы, предложена модель структурного устройства.

4. При сверхмонослойной адсорбции Sb на -In при температуре подложки меньше 200°С происходит рост наноразмерных кластеров Sb(0001). Исследованы процесс формирования, структура кластеров и их эпитаксиальное родство с кремниевой поверхностью. Показано, что In играет роль сурфактанта при образовании Sb кластеров. Предложен метод управления плотностью кластеров варьированием покрытия In начальной поверхностной фазы.

1. Moore G.E. Cramming more components onto integrated circuits // Electronics. -1965. - Vol.38.

2. D^browski J., Mtissig H.-J. Silicon surfaces and formation of interfaces. -Singapore, World Scientific, 2000. 550 p.

3. Devoret M.H., Glattli C. Single-electron transistors // Physics World. 1998. -Vol. 9. - P. 11.

4. Devoret M.H., Esteve D., Urbina C. Single-electron transfer in metallic nanostructures // Nature. 1992. - Vol. 360. - P. 547.

5. Лифшиц В.Г., Репинский С.М. Процессы на поверхности твердых тел. Владивосток: Дальнаука, 2003. - 703 с.

6. Franklin G.E., Rich D.H., Hong Н., Miller Т., Chiang Т.-С. Interface formation and growth of InSb on Si(100) // Phys. Rev. B. 1992. Vol. 45. - P. 3426.

7. Rao B.V., Atoji M„ Li D. M., Okamoto Т., Tambo Т., Tatsuyama C. In(4x3) reconstruction mediated heteroepitaxial growth of InSb on Si(001) substrate // Jpn. J. Appl. Phys. 1998. - Vol. 37. - P. L1297.

8. Lifshits V.G., Gavrilyuk Yu.L., Tsukanov D.A., Churusov B.K., Enebish N., Kuznetsova S.V., Ryjkov S.V., Gruznev D., Tatsuyama C. Surface phases and processes on Si surface // e-J. Surf. Sci. Nanotech. 2004. - Vol. 2. - P. 56.

9. Lifshits V.G., Saranin A.A., Zotov A.V. Surface phases on silicon. Chichester, John Wiley & Sons, 1994. - 450 p.

10. Schlier R.E., Farnsworth H.E. structure and adsorption characteristics of clean surfaces of germanium and silicon // J. Chem. Phys. 1959. - Vol. 30. - P. 917.

11. Duke C.B. The amazing story of semiconductor surface structures // Prog. Surf. Sci. 1995.-Vol. 50.-P. 31.

12. Duke C.B. Semiconductor surface reconstruction: the structural chemistry of two-dimensional surface compounds // Chem Rev. 1996. - Vol. 96. - P. 1237.

13. Park R.L., Madden H.H. Annealing changes on the (100) surface of palladium and their effect on CO adsorption // Surf. Sci. 1968. - Vol. 11. - P. 188.14.